5G 设备煤矿井下电源供电技术

马 龙

（1.煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺113122；2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺113122）

煤矿井下通讯系统的高可靠、全覆盖运行不但可以提高整个矿井的生产效率，还可以对各种运输设备、采煤机等进行工作状态检测与诊断，只有这样才能保证整个煤矿的安全运行。随着人工智能与万物互联时代的高速发展，5G 技术商用步伐加快，把5G 技术应用到矿山行业，应用到煤矿井下工作面，使井下、井上实现无缝对接，助力于无人采矿设备的运行，从而实现无人矿山，可以从根本上避免人员伤亡，但是由于5G 设备的高速率传送等，导致了5G 设备的功耗普遍都很高，这就需要有可以输出更大容量的电源设备对其进行供电。为此重点的对5G 设备煤矿井下电源供电技术进行研究，并提供全套的设计方案[1]。

1 煤矿井下通讯设备电源供电技术

煤矿井下通讯设备供电电源均采用隔爆兼本质安全型设计，根据国家标准在爆炸性环境用电气设备的相关规定：本质安全型设计是指正常工作和施加最不利条件下的非计数故障条件下，产生的电火花和热效应均不能点燃爆炸性气体环境的电路，这样本质安全型设计就要从电火花的限制和热效应的限能2 方面来处理，如果想要限制电火花及热效应的能量，那么就要采用低功率设计，对电路中的电容、电感及一些需要电流控制的芯片进行最大程度的优化，但是能量输出的限制又导致了电源供电能力的不足，而目前煤矿井下所使用的5G 设备大部分都需要大容量的电源进行供电，这就需要供电电源在能量输出及本质安全方面选取一个折中点，既能保证煤矿井下5G 设备的正常供电，又能保证电源的本质安全型输出，特别是对“上电冲击电流”的控制，如果可以很好的控制“上电冲击电流”，那么在同样的情况下电源就可以为更多的设备进行供电，同时防止大电流的冲击还可以提高供电设备的使用效率，并且可以延长其使用寿命[2]。

目前煤矿井下无线通讯系统的组网主要包括：矿用隔爆兼本安型网络交换机、矿用隔爆兼本安型基站（有线基站/无线基站）、矿用本安型转换器等，矿用隔爆兼本安型网络交换机用于组环网，对上与监控中心进行数据交互，对下接入5G 矿用隔爆兼本安型基站，通过5G 矿用隔爆兼本安型基站实现对井下各工作面、巷道、机电硐室等全场景无线网络覆盖，5G 矿用隔爆兼本安型基站可接入5G 无线摄像仪、矿用本安型转换器、5G 通讯设备、人员定位设备，形成5G 井下无线全数据交互及管理[3]。

2 5G 设备电源供电方案

5G 设备煤矿井下电源主体包括4 部分：接线腔体、电源主腔体、备用电池开关腔体、备用电池腔体，电源主体及组成4 部分均采用防爆外壳设计，输入电源可兼容煤矿井下通用交流动力电127 V/660 V/1 140 V 3 种，对外输出2 路本安电源DC12 V 及DC24 V[4]，数据通讯接口为符合当前煤安监函【2016】5 号文《煤矿安全监控系统升级改造技术方案》中第1 条传输数字化的要求采用RS485 数字通讯、光纤通讯、5G 无线通许传输，5G 设备电源供电整体设计方案如图1。

图1 5G 设备电源供电整体设计方案Fig.1 Overall design scheme of power supply for 5G equipment

交流供电、本安电源输出、数据信号交互均接入接线腔体，接线腔体通过隔爆型电气设备接线端子将交流供电引入到电源主腔体，通过隔爆型穿墙端子将本安电源输出及数据信号交互与电源主腔体进行互联，备用电池开关腔体主要用于备用电池供电的切断，防止井下带电开盖，备用电池腔体用于供电电池的安装及摆放[5]。

设计方案中所选用的变压器为多抽头变压器，变压器可将AC127 V/660 V/1 140 V 3 种交流供电转换为AC220 V 供电，AC220 V 电压首先要经过过流保护模块，过流保护模块的主要作用为当后端电路出现短路等其它故障时所导致供电电流迅速增大时，对供电电源起到保护功能，过流保护模块主要由可熔断保险丝来实现，一旦电流超过可熔断保险丝最大电流额定值时，可熔断保险丝烧断，截止供电电源对设备的电源输出。根据煤安监函【2016】5 号文《煤矿安全监控系统升级改造技术方案》中对抗电磁干扰的要求，在5G 设备煤矿井下电源供电设备中设计安装EMI 滤波装置，其主要作用为抑制浪涌和群脉冲对供电设备的干扰；AC220 V 经AC/DC 模块将交流电源转换为24 V 直流电源[6]。

24 V 直流电源分为3 路，第1 路通过DC24 V隔离电源模块稳压输出24 V 隔离直流电源，24 V隔离直流电源经过ib/ia 本安输出保护模块将非本安输出电源转换为本安24 V 直流供电输出；第2 路通过DC12 V 隔离电源模块降压输出12 V 隔离直流电源，12 V 隔离直流电源经过ib/ia 本安输出保护模块将非本安输出电源转换为本安12 V 直流供电输出；以上2 路本安电源适用于煤矿井下5G 设备的电源供电，直流12 V 及24 V 基本上可以满足目前煤矿井下大部分5G 设备的供电需求；第3 路用于电池组的充电及当交流电断电时电池组将对其进行反向供电，为第1 路DC24 V 及第2 路DC12 V提供稳定的电源输出，符合煤安监函【2016】5 号文《煤矿安全监控系统升级改造技术方案》中关于备用电源的要求，具体设计方案为：第3 路电源通过电池充放电管理模块并通过电池组保护模块对5 组串联电池组进行充放电管理，当交流电正常供电的情况下电池充放电管理模块对电池组进行充电管理，当交流电断开供电的情况下，电池充放电管理模块对电池组进行放电管理，由于电池组所采用的是3.2 V/60 Ah 大容量电池，所以可以保证备用电源的大功率、长时间输出，5 组3.2 V 电池进行串联输出直流16 V，直流16 V 经过电池电压升压模块后输出直流24 V，在交流电断电的情况下，电池组为第1路及第2 路本安输出电源进行供电[7]。

主控单元主要负责直流输出电源信息采集、数据通讯、人机交互显示、电池组信息采集等，上述所有模块均由DC3.3 V 模块进行供电，电源主腔功能模块整体设计方案如图2。

图2 电源主腔功能模块整体设计方案Fig.2 Overall design scheme of power supply main cavity function module

电源输出信息采集单元通过AD620 芯片对DC24 V 及DC12 V 2 路输出进行电压及电流信号的采集，用于实时监测5G 设备的供电参数，由于目前井下设备的布置，电源与5G 设备的供电距离要实施2 km/3 km/6 km 分级管理，那么对5G 设备所消耗电流的监测就越来越重要，因为电源为本安型输出，有最大本安参数的限制，所以通过对电流指标的监测可以实时的掌握5G 设备与电源之间的供电距离。

主控单元将电源输出信息采集及电池信息采集的信号发送到人机交互显示单元，电池信息采集信号为各电池的电压、电流、温度，人机交互显示单元显示5 组电池的充放电电压、充放电电流、各节电池的温度、DC12 V/DC24 V 输出电压值、输出电流值、交/直流工作状态[8]。

电池组保护模块功能主要包括：直流电源具有单体电池过充电压保护功能、直流电源具有单体电池过充电压保护失效检测功能、直流电源具有单体电池过放电压保护功能、直流电源具有单体电池过放电压保护失效检测功能、直流电源具有充电过流保护功能、直流电源具有放电过流保护功能、直流电源具有输出短路保护功能、直流电源具有温度保护功能、直流电源具有电池信息采集线开路保护[9]。

数据通讯单元用于完成电源内部电池组信息、输出电源信息、电源工作状态的上传，可通过RS485、光纤、5G 无线3 种链路进行数据的交互[10]。

上述各部分组成了电源主腔功能模块、模块具有后备电池供电能力，多种电压选择、输出电流大的特点，电路数据传输采集稳定，抗电磁干扰能力强。

3 结 语

研究了煤矿井下5G 设备的电源供电技术，结合现有供电方式的对比及存在的问题进行综合分析，详细的阐述了供电电源的设计方案，对电源大容量输出、充放电管理方式、备用电池升压方式、电源本安输出保护方式、电源5G 数据传送等方式，引入了全新的设计方案，为了更好更快的发展煤炭行业的无线通讯模式，5G 数字通讯将做为一种全新的煤矿安全通信系统在煤炭行业进行大面积的普及。